(57)【要約】【課題】冷媒を沸騰させて該冷媒の一部を気化させることにより熱交換を行うものであって、優れた熱交換効率を得ることができる熱交換器を提供する。【解決手段】熱源４から伝達される熱の入力方向に対して垂直方向に冷媒が流れる冷媒流路３を備え、冷媒流路３内で該冷媒の少なくとも一部が熱交換により気化する。冷媒流路３は主流路１３と、主流路１３の熱源４側に主流路１３の長さ方向に沿って形成された主流路１３より幅の狭い凹部１４とを備え、凹部１４は熱交換により該冷媒の少なくとも一部が凹部１４内で気化したときに該気化により生成した気泡を主流路１３に放出可能な形状を備える。凹部１４は０．１〜３ｍｍ、好ましくは０．１〜１ｍｍの幅ｗ1を備える。凹部１４は０．１〜１ｍｍの幅ｗ1を備えるときに該幅ｗ1に対して１／５〜１／２の深さｄ1を備える。【選択図】  図３
2005055067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源から伝達される熱の入力方向に対して垂直方向に冷媒が流れる冷媒流路を備え、該冷媒流路内で該冷媒の少なくとも一部が熱交換により気化する直交流型熱交換器であって、
該冷媒流路は主流路と、該主流路の熱源側に該主流路の長さ方向に沿って形成された該主流路より幅の狭い凹部とを備え、該凹部は熱交換により該冷媒の少なくとも一部が該凹部内で気化したときに該気化により生成した気泡を該主流路に放出可能な形状を備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記凹部は０．１〜３ｍｍの幅を備えることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
前記凹部は０．１〜１ｍｍの幅を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱交換器。
【請求項４】
前記凹部は幅に対して１／５〜１／２の深さを備えることを特徴とする請求項３記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源から伝達される熱の入力方向に対して垂直方向に冷媒が流れる冷媒流路を備える直交流型熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱源の冷却のために、該熱源から伝達される熱の入力方向に対して垂直方向に冷媒が流れる冷媒流路を備える直交流型熱交換器が用いられている。従来、前記熱交換器では、液状の冷媒が顕熱を奪うことにより前記熱源の冷却を行っており、前記冷媒流路の断面形状を凹凸状として該冷媒流路の表面積を大きくすることにより、熱交換効率を向上したものが知られている（例えば特許文献１，２参照）。
【０００３】
近年、前記熱交換器では、前記冷媒を沸騰させて該冷媒の一部を気化させたときに奪われる潜熱を利用して、前記熱源の冷却を行うことが検討されている。一般に、冷媒の単位質量当たりの潜熱は顕熱よりも大きいので、前記冷媒の一部を気化させることにより、熱交換効率を大きく向上させることができるものと考えられる。
【０００４】
前記冷媒を沸騰させる熱交換器では、熱流束（単位面積当たりに流れる熱量）を大きくするために、冷媒流路を狭くすることが行われている。
【０００５】
しかしながら、冷媒流路を狭くすると、熱流束の増大に伴って前記冷媒の沸騰により生じる気泡の容積が大きくなり、該気泡が狭い流路内で移動しにくくなる。この結果、前記冷媒流路の伝熱面が前記気泡で覆われて液体状態の冷媒への熱伝達が阻害され、熱交換効率が低減するという不都合がある。
【特許文献１】特開２０００−１８８６７号公報
【特許文献２】特開２０００−７４５８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる不都合を解消して、冷媒を沸騰させて該冷媒の一部を気化させることにより熱交換を行うものであって、優れた熱交換効率を得ることができる熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる目的を達成するために、本発明の熱交換器は、熱源から伝達される熱の入力方向に対して垂直方向に冷媒が流れる冷媒流路を備え、該冷媒流路内で該冷媒の少なくとも一部が熱交換により気化する直交流型熱交換器であって、該冷媒流路は主流路と、該主流路の熱源側に該主流路の長さ方向に沿って形成された該主流路より幅の狭い凹部とを備え、該凹部は熱交換により該冷媒の少なくとも一部が該凹部内で気化したときに該気化により生成した気泡を該主流路に放出可能な形状を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の熱交換器では、前記冷媒流路に流通される前記冷媒が、前記熱源から入力される熱により加熱されて沸騰し、該冷媒の一部が気化するときに奪う潜熱により冷却を行う。
前記気化した冷媒は気泡を形成するが、このとき、前記冷媒流路には、前記主流路の熱源側に該主流路の長さ方向に沿って該主流路より幅の狭い凹部が形成されている。そこで、前記気泡は、まず前記凹部内に形成され、成長するに従って径が大きくなると、該凹部内から前記主流路に放出される。
【０００９】
この結果、前記熱源に近い前記凹部には前記気泡が滞留しにくく、該凹部に液状の冷媒が流通しやすくなる。従って、本発明の熱交換器によれば、前記凹部に流通する液状の冷媒により熱交換を行うことができ、前記冷媒の気化により生じた気泡により熱伝達が阻害されることがないので、優れた熱交換効率を得ることができる。
【００１０】
前記凹部は、内部に生成した前記気泡を前記主流路に放出可能とするために、０．１〜３ｍｍの幅を備えていることが好ましく、さらに０．１〜１ｍｍの幅を備えていることが好ましい。前記凹部の幅は、０．１ｍｍ未満では製造が難しく、２ｍｍを超えると、前記気泡が前記主流路に放出されにくく、十分な熱交換効率が得られないことがある。
【００１１】
また、前記凹部は、０．１〜１ｍｍの幅を備えているときに、前記気泡を前記主流路に放出しやすくするために、該幅の１／５〜１／２の深さを備えていることが好ましい。前記凹部の深さが前記幅の１／５未満では凹部としての形状が明確にならず、該凹部の内部に気泡を生成させる効果が十分に得られないことがある。また、前記凹部の深さが前記幅の１／２を超えると、前記気泡が前記主流路に放出されにくく、十分な熱交換効率が得られないことがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の熱交換器の構成を示す説明的断面図、図２は図１に示す熱交換器の平面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、図４は図１に示す熱交換器の組立方法を示す説明的断面図である。また、図５は図１に示す熱交換器の性能を示すグラフである。
【００１３】
図１，２に示すように、本実施形態の熱交換器１は、アルミニウム製の熱交換器本体２と、熱交換器本体２内に形成された冷媒流路３とからなる。熱交換器本体２の一方の表面には熱源としてセラミックヒーター４が積層されており、セラミックヒーター４の上にさらに温度測定用の熱電対５が積層されている。
【００１４】
熱交換器本体２、セラミックヒーター４、熱電対５は、両外側から各２枚のシリコンゴムシート６ａ，６ｂ、７ａ，７ｂで挟まれ、さらにシリコンゴムシート６ａ，６ｂ、７ａ，７ｂの外側からステンレス板８ａ，８ｂで挟まれている。熱交換器本体２、セラミックヒーター４、熱電対５は、ステンレス板８ａ，８ｂを貫通するボルト９と、ボルト９に螺着されたナット１０とによりボルト締めされ、全体が均一に圧着されている。
【００１５】
熱交換器１では、液状の冷媒は、流路入口３ａから供給された後、分配部１１で各冷媒流路３に分配され、冷媒流路３内でセラミックヒーター４から入力される熱と熱交換することにより加熱されて沸騰し、該冷媒の一部が気化する。この結果、熱交換器１は、前記液状の冷媒が気化する際の潜熱により、セラミックヒーター４の冷却を行うことができる。沸騰した液状の冷媒と、気化した冷媒の蒸気とは、集合部１２を経て流路出口３ｂから排出される。
【００１６】
前記冷媒流路３は、図３示のように、断面四角形の主流路１３と、主流路１３のセラミックヒーター４側に主流路１３の長さ方向に沿って形成された断面四角形の凹部１４とから形成されている。ここで、凹部１４の幅ｗ1は主流路１３の幅ｗ2よりも狭くなっており、０．１〜３ｍｍの範囲となっている。また、凹部１４の深さｄ1は凹部１４の幅ｗ1の１／５〜２倍の範囲となっている。
【００１７】
熱交換器１は、冷媒流路３が主流路１３のセラミックヒーター４側に凹部１４を備えているので、前記液状の冷媒は凹部１４内で沸騰して気化し、気泡を発生する。前記気泡は、凹部１４内で成長し次第に径が大きくなるが、凹部１４は前記形状を備えているので、大径となった気泡は凹部１４内から押し出され、主流路１３に放出される。この結果、熱交換器１では、セラミックヒーター４に近い凹部１４に液状の冷媒が流通し易くなり、該冷媒により熱交換を行うことができ、気泡により熱伝達が阻害されることがないので、優れた熱交換効率を得ることができる。
【００１８】
凹部１４の幅ｗ1は、大径となった気泡を押し出しやすくするために、０．１〜３ｍｍの範囲にあることが好ましく、さらに０．１〜１ｍｍの範囲にあることが好ましい。また、凹部１４の幅ｗ1が０．１〜１ｍｍの範囲にあるときに、凹部１４の深さｄ1は、大径となった気泡を押し出しやすくするために、凹部１４の幅ｗ1の１／５〜１／２倍の範囲にあることが好ましい。
【００１９】
次に、本発明の実施例及び比較例を示す。
【実施例１】
【００２０】
実施例１〜１６及び比較例１〜１１では、まず図４に示すように、２４ｍｍ×２０ｍｍのアルミニウム（Ａ５０５２）板にセラミックヒーター４と反対側に開口する複数の溝部１５を切削加工により刻設した熱源側部材１６と、２４ｍｍ×２０ｍｍのアルミニウム（Ａ５０５２）板にセラミックヒーター４側に開口する複数の溝部１７を切削加工により刻設した反熱源側部材１８とを作成した。熱源側部材１６には、長さ１２ｍｍ、幅ｗ1ｍｍ、深さｄ1ｍｍの溝部１５がＧ1ｍｍの間隔でｎ本形成されている。一方、反熱源側部材１８には長さ１２ｍｍ、幅ｗ2ｍｍ、深さｄ2ｍｍの溝部１７がＧ2ｍｍの間隔でｍ本形成されている。
【００２１】
実施例１〜１６及び比較例１〜１１で用いた熱源側部材１６（ＨＥ−１〜１１）を表１に、反熱源側部材１８（Ｃｏ−１〜８）を表２に示す。
【００２２】
【表１】
2005055067.tif 000003
【００２３】
【表２】
2005055067.tif 000004
【００２４】
次に、熱源側部材１６、反熱源側部材１８を、溝部１５，１７が開口する面同士が対向するようにして積層することにより、熱交換器本体２を形成した。このとき、表１，２に示す複数種の熱源側部材１６と、反熱源側部材１８との組み合わせを変えて、溝部１５により凹部１４が形成され、溝部１７により主流路１３が形成されるようにすることにより、実施例１〜１６の熱交換器１を構成した。また、熱源側部材１６と、反熱源側部材１８との組み合わせを変えて、溝部１５、１７の幅が等しく（ｗ1＝ｗ2）することにより、凹部１４が形成されず、主流路１３のみを備える比較例１〜１１の熱交換器１を構成した。
【００２５】
尚、熱源側部材１６と、反熱源側部材１８との組み合わせによっては、１つの主流路１３に複数の凹部１４が形成されている場合がある。また、熱源側部材１６、反熱源側部材１８は、それぞれ溝部１５、１７の端部に分配部１１、集合部１２を形成する２ｍｍ×１４ｍｍの凹部（図示せず）が切削加工により刻設されている。
【００２６】
次に、セラミックヒーター４に７５Ｗの電力を供給する一方、図１，２の流路入口３ａから９０℃の水を３ｇ／分の流量で供給したときのセラミックヒーター４の温度を熱電対５で測定することにより、各熱交換器１の性能を比較した。尚、セラミックヒーター４の温度は、図１に示す装置全体をアーマフレックスチューブで覆い、外部と断熱した状態で測定した。結果を表３に示す。
【００２７】
【表３】
2005055067.tif 000005
【００２８】
表３から、主流路１３に凹部１４を設けた実施例１〜１６の熱交換器１によればセラミックヒーター４の温度が１４５．４〜１５７．８℃であり、凹部１４がなく主流路１３のみを備える比較例１〜１１の１６７．７〜１６８．２℃に比較して、格段に優れた熱交換率が得られることが明らかである。
【００２９】
また、凹部１４の幅ｗ1が０．１〜１ｍｍの範囲にあり、且つ深さｄ1が幅ｗ1の１／５〜１／２倍の範囲にある実施例１，４〜７，１４の熱交換器１によればセラミックヒータータ４の温度が１４５．４〜１４５．７℃であり、さらに優れた熱交換率が得られることが明らかである。
【実施例２】
【００３０】
熱源側部材１６としてＨＥ−１、反熱源側部材１８としてＣｏ−３を用いて、熱交換器１を形成した。この熱交換器１では、主流路１３の幅ｗ2＝０．５ｍｍ、深さｄ2＝０．３ｍｍであり、凹部１４の幅ｗ1＝０．１ｍｍ、深さｄ1＝０．０５ｍｍとなっている。
【００３１】
次に、セラミックヒーター４に供給する電力を８〜４０Ｗの範囲で変量する一方、図１，２の流路入口３ａから９０℃の水を３ｇ／分の流量で供給したときのセラミックヒーター４の温度を熱電対５で測定した。尚、セラミックヒーター４の温度は、図１に示す装置全体をアーマフレックスチューブで覆い、外部と断熱した状態で測定した。結果を表４、図５に示す。
【比較例１２】
【００３２】
熱源側部材１６としてＨＥ−１、反熱源側部材１８としてＣｏ−２を用いて、熱交換器１を形成した。この熱交換器１では、主流路１３の幅ｗ2＝０．１ｍｍ、深さｄ2＝０．１５ｍｍであり、凹部１４は設けられていない。
【００３３】
次に、セラミックヒーター４に供給する電力を８〜４０Ｗの範囲で変量する一方、図１，２の流路入口３ａから９０℃の水を３ｇ／分の流量で供給したときのセラミックヒーター４の温度を熱電対５で測定した。尚、セラミックヒーター４の温度は、図１に示す装置全体をアーマフレックスチューブで覆い、外部と断熱した状態で測定した。結果を表４、図５に示す。
【００３４】
【表４】
2005055067.tif 000006
【００３５】
表４、図５から、主流路１３に凹部１４を設けた実施例１７の熱交換器１によれば、各供給電力の場合にセラミックヒーター４の温度が、凹部１４がなく主流路１３のみを備える比較例１２の熱交換器１よりも低い上、供給電力の増加に対するセラミックヒーター４の温度上昇が少なく、格段に優れた熱交換率が得られることが明らかである。
【実施例３】
【００３６】
実施例１８〜２１及び比較例１３〜１６では、表１，２に示す複数種の熱源側部材１６と、反熱源側部材１８との組み合わせを変えて熱交換器１を形成する際に、熱源側部材１６と反熱源側部材１８との位置を図４とは逆にし、下方に熱源側部材１６、上方に反熱源側部材１８を配置した。そして、熱源側部材１６の下面にセラミックヒーター４と熱電対５とを配設した。
【００３７】
このとき、溝部１５により凹部１４が形成され、溝部１７により主流路１３が形成されるようにして、実施例１８〜２１の熱交換器１を構成した。また、熱源側部材１６と、反熱源側部材１８とで溝部１５、１７の幅が等しく（ｗ1＝ｗ2）なるようにして、凹部１４が形成されず、主流路１３のみを備える比較例１３〜１６の熱交換器１を構成した。
【００３８】
次に、セラミックヒーター４に７５Ｗの電力を供給する一方、図１，２の流路入口３ａから９０℃の水を３ｇ／分の流量で供給したときのセラミックヒーター４の温度を熱電対５で測定することにより、各熱交換器１の性能を比較した。尚、セラミックヒーター４の温度は、図１に示す装置全体をアーマフレックスチューブで覆い、外部と断熱した状態で測定した。結果を表５に示す。
【００３９】
【表５】
2005055067.tif 000007
【００４０】
表５から、主流路１３に凹部１４を設けた実施例１８〜２１の熱交換器１によればセラミックヒーター４の温度が１４４．９〜１４５．２℃であり、凹部１４がなく主流路１３のみを備える比較例１３〜１６の１６７．９〜１６８．２℃に比較して、格段に優れた熱交換率が得られることが明らかである。
【００４１】
また、表５から、セラミックヒーター４が熱交換器１の下側にある場合にも、熱交換器１の上側にある場合と同様に、主流路１３のセラミックヒーター４側に凹部１４を設けることにより優れた熱交換率が得られることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の熱交換器の一構成例を示す説明的断面図。
【図２】図１に示す熱交換器の平面図。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。
【図４】図１に示す熱交換器の組立方法を示す説明的断面図。
【図５】図１に示す熱交換器の性能を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１…熱交換器、  ２…熱交換器本体、  ３…冷媒流路、  ４…熱源、  １３…主流路、  １４…凹部。
【図１】
2005055067.tif 000008
【図２】
2005055067.tif 000009
【図３】
2005055067.tif 000010
【図４】
2005055067.tif 000011
【図５】
2005055067.tif 000012